Цифровое кодирование. Кодирование формы сигнала

Нижним уровнем в иерархии кодирования является физическое кодирование, которое определяет число дискретных уровней сигнала (амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды яркости).

Физическое кодирование рассматривает кодирование только на самом низшем уровне иерархии кодирования - на физическом уровне и не рассматривает более высокие уровни в иерархии кодирования, к которым относятся логические кодирования различных уровней.

С точки зрения физического кодирования цифровой сигнал может иметь два, три, четыре, пять и т. д. уровней амплитуды напряжения, амплитуды тока, амплитуды света.

Ни в одной из версий технологии Ethernet не применяется прямое двоичное кодирование бита 0 напряжением 0 вольт и бита 1 - напряжением +5 вольт, так как такой способ приводит к неоднозначности. Если одна станция посылает битовую строку 00010000, то другая станция может интерпретировать её либо как 10000, либо как 01000, так как она не может отличить «отсутствие сигнала» от бита 0. Поэтому принимающей машине необходим способ однозначного определения начала, конца и середины каждого бита без помощи внешнего таймера. Кодирование сигнала на физическом уровне позволяет приемнику синхронизироваться с передатчиком по смене напряжения в середине периода битов.

В некоторых случаях физическое кодирование решает проблемы:

Логическое кодирование

Вторым уровнем в иерархии кодирования является самый нижний уровень логического кодирования с разными назначениями.

В совокупности физическое кодирование и логическое кодирование образуют систему кодирования низкого уровня.

Форматы кодов [ ]

Каждый бит кодового слова передается или записывается с помощью дискретных сигналов, например, импульсов. Способ представления исходного кода определенными сигналами определяется форматом кода. Известно большое количество форматов, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки и предназначен для использования в определенной аппаратуре.

Направление перепада при передаче сигнала единицы не имеет значения. Поэтому изменение полярности кодированного сигнала не влияет на результат декодирования. Он может передаваться по симметричным линиям без постоянной составляющей. Это также упрощает его магнитную запись. Этот формат известен также под названием «Манчестер 1». Он используется в адресно-временном коде SMPTE, широко применяющемся для синхронизации носителей звуковой и видеоинформации.

Системы с двухуровневым кодированием

NRZ (Non Return to Zero)

NRZ (Non Return to Zero, с англ.  -  «без возвращения к нулю») - двухуровневый код. Логическому нулю соответствует нижний уровень, логической единице - верхний уровень. Информационные переходы происходят на границе значащих интервалов (значащий момент) .

Варианты представления кода NRZ

Различают несколько вариантов представления кода:

• Униполярный код - логическая единица представлена верхним потенциалом, логический нуль представлен нулевым потенциалом;
• Биполярный код - логическая единица представлена положительным потенциалом, логический нуль представлен отрицательным потенциалом.

Достоинства NRZ кода

• Простая реализация;
• Высокая скорость передачи данных;
• Для синхронизации передачи байта используется старт-стоповый бит.

Недостатки NRZ кода

NRZI (Non Return to Zero Invertive) - потенциальный код с инверсией при единице, код формируется путем инверсного состояния при поступлении на вход кодирующего устройства логической единицы, при поступлении логического нуля состояние потенциала не меняется. Этот метод является модифицированным методом Non Return to Zero (NRZ) .

Поскольку код не защищен от долгих последовательностей логических нулей или единиц, то это может привести к проблемам синхронизации. Поэтому перед передачей, заданную последовательность битов рекомендуется предварительно закодировать кодом предусматривающим скремблирование (скремблер предназначен для придания свойств случайности передаваемой последовательности данных с целью облегчения выделения тактовой частоты приемником). Используется в Fast Ethernet 100Base-FX и 100Base-T4.

Достоинства NRZI кода

• Простота реализации;
• Метод обладает хорошей распознаваемостью ошибок (благодаря наличию двух резко отличающихся потенциалов);
• Спектр сигнала расположен в низкочастотной области относительно частоты следования значащих интервалов.

Недостатки NRZI кода

• Метод не обладает свойством самосинхронизации. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приёмник может ошибиться с выбором момента съёма данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длинных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию некорректного значения бита;
• Вторым серьёзным недостатком метода, является наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к постоянному сигналу при передаче длинных последовательностей единиц и нулей (можно обойти сжатием передаваемых данных). Из-за этого многие линии связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приёмником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. Поэтому в сетях код NRZ в основном используется в виде различных его модификаций, в которых устранены как плохая самосинхронизация кода, так и проблемы постоянной составляющей.

Манчестерское кодирование

При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала в середине каждого такта. Различают два варианта манчестерского кодирования:

В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает самосинхронизирующими свойствами. Обязательное наличие перехода в центре бита позволяет легко выделить синхросигнал. Допустимое расхождение частот передачи - до 25 % (это означает, что код Манчестер-2 - самый устойчивый к рассинхронизации, он самосинхронизуется в каждом бите передаваемой информации).

Плотность кода 1 бит/герц. В спектре сигнала, закодированного Манчестером-2, присутствует 2 частоты - частота передачи и половинная частота передачи (она образуется когда рядом стоят 0 и 1 или 1 и 0. При передаче гипотетической последовательности одних 0 или 1 в спектре будет присутствовать только частота передачи).

Достоинства манчестерского кодирования

• Нет постоянной составляющей (смена сигнала происходит на каждом такте передачи данных)
• Полоса частот в сравнении с NRZ кодированием - основная гармоника в при передаче последовательности единиц или нулей имеет частоту N Гц, а при постоянной последовательности (при передаче чередования единиц и нулей) - N/2 Гц.
• Является самосинхронизирующимся , то есть не требует специальной кодировки синхроимпульса, который бы занимал полосу данных и поэтому является самым плотным кодом на единицу частоты.
• Возможность обеспечить гальваническую развязку с помощью трансформатора, так как у него отсутствует постоянная составляющая
• Вторым важным преимуществом является отсутствие необходимости в синхронизующих битах (как в NRZ-коде) и, вследствие этого, данные могут передаваться подряд сколь угодно долго, из-за чего плотность данных в общем потоке кода приближается к 100 % (например для кода NRZ 1-8-0 она равна 80 %).

Код Миллера

Код Миллера (иногда называют трехчастотным) - является двуполярным двухуровневым кодом, в котором каждый информационный бит кодируется комбинацией из двух битов {00, 01,10,11}, а переходы из одного состояния в другое описываются графом . При непрерывном поступлении логических нулей или единиц на кодирующее устройство переключение полярности происходит с интервалом T, а переход от передачи единиц к передаче нулей с интервалом 1,5T. При поступлении на кодирующее устройство последовательности 101 возникает интервал 2Т, по этой причине данный метод кодирования называют трехчастотным .

Преимущества

• Нет избыточности в коде (нет специальных комбинаций для синхронизации);
• Способность к самосинхронизации (в самом коде заложен принцип по которому гарантированно можно синхронизироваться);
• Полоса пропускания кода Миллера вдвое меньше полосы пропускания в сравнении с манчестерским кодированием.

Недостатки

• Присутствие постоянной составляющей, при этом достаточно велик и низкочастотный компонент, что преодолено в модифицированном коде Миллера в квадрате.

Системы с трёхуровневым кодированием

RZ (return to zero)

AMI -код использует следующие представления битов:

• биты 0 представляются нулевым напряжением (0 В)
• биты 1 представляются поочерёдно значениями -U или +U (В)

HDB3 (биполярный код с высокой плотностью третьего порядка)

Код HDB3 (биполярный код с высокой плотностью третьего порядка ) исправляет любые 4 подряд идущих нуля в исходной последовательности. Правило формирования кода следующее: каждые 4 нуля заменяются 4 символами в которых имеется хотя бы один сигнал V. Для подавления постоянной составляющей полярность сигнала V чередуется при последовательных заменах. Для замены используются два способа:

1. Если перед заменой исходный код содержал нечётное число единиц то используется последовательность 000V
2. Если перед заменой исходный код содержал чётное число единиц то используется последовательность 100V

V-сигнал единицы запрещённого для данного сигнала полярности

Тоже что и AMI , только кодирование последовательностей из четырех нулей заменяется на код -V/0, 0, 0, -V или +V/0, 0, 0, +V - в зависимости от предыдущей фазы сигнала и количества единиц в сигнале, предшествующем данной последовательности нулей.

MLT-3

MLT-3 (Multi Level Transmission - 3) (англ. многоуровневая передача) - метод кодирования, использующий три уровня сигнала. Метод основывается на циклическом переключении уровней -U, 0, +U. Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на следующий. Так же как и в методе NRZI при передаче логического нуля сигнал не меняется. Метод разработан Cisco Systems для использования в сетях FDDI на основе медных проводов, известных как CDDI. Также используется в Fast Ethernet 100BASE-TX . Единице соответствует переход с одного уровня сигнала на другой, причем изменение уровня сигнала происходит последовательно с учетом предыдущего перехода. При передаче нуля сигнал не меняется.

Преимущества MLT-3 кода

• В случае наиболее частого переключения уровней (длинная последовательность единиц) для завершения цикла необходимо четыре перехода. Это позволяет вчетверо снизить частоту несущей относительно тактовой частоты, что делает MLT-3 удобным методом при использовании медных проводов в качестве среды передачи.
• Этот код, так же как и NRZI нуждается в предварительном кодировании. Используется в Fast Ethernet 100Base-TX .

Гибридный троичный код (англ.) русск.

4B3T

4B3T (4 Binary 3 Ternary, когда 4 двоичных символа передаются с помощью 3 троичных символов) - cигнал на выходе кодирующего устройства, согласно коду 4B3T, является трехуровневым, то есть на выходе кодирующего устройства формируется сигнал с тремя потенциальными уровнями. Код формируется, например, согласно таблице кодирования MMS43 . Таблица кодирования:

Таблица декодирования:

Системы с четырёхуровневым кодированием

2B1Q (Потенциальный код 2B1Q)

Достоинство метода 2B1Q

• Сигнальная скорость у этого метода в два раза ниже, чем у кодов NRZ и AMI, а спектр сигнала в два раза уже. Следовательно с помощью 2B1Q-кода можно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее.

Недостатки метода 2B1Q

• Реализация этого метода требует более мощного передатчика и более сложного приемника, который должен различать четыре уровня.

Простейшими кодерами/декодерами речи, вообще не использующими информацию о том, как был сформирован кодируемый сигнал, а просто старающимися максимально приблизить восстанавливаемый сигнал по форме к оригиналу, являются кодеры/декодеры формы сигнала . Теоретически они инвариантны к характеру сигнала, подаваемого на их вход, и могут использоваться для кодирования любых, в том числе и неречевых, сигналов. Эти кодеры - самые простые по принципу действия и устройству, но больших степеней сжатия (низких скоростей кода) обеспечить не могут.

Простейшим способом кодирования формы сигнала является так называемая импульсно-кодовая модуляция – ИКМ (или PCM – Pulse Code Modulation), при использовании которой производятся просто дискретизация и равномерное квантование входного сигнала, а также преобразование полученного результата в равномерный двоичный код.

Для речевых сигналов со стандартной для передачи речи полосой 0,3 – 3,5 кГц обычно используют частоту дискретизации F дискр ³2F max = 8 кГц. Экспериментально показано, что при равномерном квантовании для получения практически идеального качества речи нужно квантовать сигнал не менее чем на ± 2000 уровней, иными словами, для представления каждого отсчета понадобится 12 бит, а результирующая скорость кода будет составлять

R = 8000 отсчетов/с * 12 бит/отсчет = 96000 бит/с = 96 кбит/с.

Используя неравномерное квантование (более точное для малых уровней сигнала и более грубое для больших его уровней, таким образом, чтобы относительная ошибка квантования была постоянной для всех уровней сигнала ), можно достичь того же самого субъективного качества восстановления речевого сигнала, но при гораздо меньшем числе уровней квантования – порядка ± 128 . В этом случае для двоичного представления отсчетов сигнала понадобится уже 8 бит и результирующая скорость кода составит 64 кбит/с.

С учетом статистических свойств речевого сигнала (вида распределения вероятностей мгновенных значений), а также нелинейных свойств слуха, гораздо лучше различающего слабые звуки, оптимальной является логарифмическая шкала квантования, которая и была принята в качестве стандарта еще в середине 60-х годов и сегодня повсеместно используется. Правда, в США и Европе стандарты нелинейного квантования несколько различаются (m-law companding и A-law compression), что приводит к необходимости перекодирования сигналов.

Таким образом, исходной для любого сравнения эффективности и качества кодирования речевых сигналов может служить скорость кода, равная 64 кбит/с.

Следующим приемом, позволяющим уменьшить результирующую скорость кода, может быть попытка предсказать значение текущего отсчета сигнала по нескольким предыдущим его значениям, и далее, кодирование уже не самого отсчета, а ошибки его предсказания – разницы между истинным значением текущего отсчета и его предсказанным значением . Если точность предсказания достаточно высока, то ошибка предсказания очередного отсчета будет значительно меньше величины самого отсчета и для ее кодирования понадобится гораздо меньшее число бит. Таким образом, чем более предсказуемым будет поведение кодируемого сигнала, тем более эффективным будет его сжатие.

Описанная идея лежит в основе так называемой дифференциальной импульсно-кодовой модуляции - ДИКМ (DPCM ) – способа кодирования, при котором кодируются не сами значения сигнала, а их отличия от некоторым образом предсказанных значений. Простейшим способом предсказания является использование предыдущего отсчета сигнала в качестве предсказания его текущего значения :

x* i = x i –1 , e i = x i - x* I . (8.10)

Это так называемое предсказание нулевого порядка , самое простое, но и наименее точное. Более точным, очевидно, будет предсказание текущего отсчета на основе линейной комбинации двух предшествующих и т.д.:

x* i = å a k x i – k , e i = x i - x* I . (8.11)

К сожалению, точность предсказания не всегда растет с ростом порядка предсказания, поскольку свойства сигнала между отсчетами начинают уже изменяться, поэтому обычно ограничиваются предсказанием не выше 2 – 3-го порядка.

На рис. 8.16 и 8.17 приведены схемы ДИКМ кодера и декодера.

При кодировании речевых сигналов с учетом степени их кратковременной (на несколько очередных отсчетов) предсказуемости результирующая скорость кода для ДИКМ (DPCM ) обычно составляет 5 – 6 бит на отсчет или 40 – 48 кбит/с.

Эффективность ДИКМ может быть несколько повышена, если предсказание и квантование сигнала будет выполняться не на основе некоторых усредненных его характеристик, а с учетом их текущего значения и изменения во времени, то есть адаптивно. Так, если скорость изменения сигнала стала большей, можно увеличить шаг квантования, и, наоборот, если сигнал стал изменяться гораздо медленнее, величину шага квантования можно уменьшить. При этом ошибка предсказания уменьшится и, следовательно, будет кодироваться меньшим числом бит на отсчет. Такой способ кодирования называется адаптивной ДИКМ , или АДИКМ (ADPCM ). Сегодня такой способ кодирования стандартизован и широко используется при сжатии речи в междугородных цифровых системах связи, в системе микросотовой связи DECT , в цифровых бесшнуровых телефонах и т.д. Использование АДИКМ со скоростью кода 4 бита/отсчет или 32 кбит/с обеспечивает такое же субъективное качество речи, что и 64 кбит/с - ИКМ , но при вдвое меньшей скорости кода.

На сегодня стандартизованы также АДИКМ – кодеки для скоростей 40, 24 и 16 кбит/с (в последнем случае с несколько худшим, чем для 32 кбит/с – АДИКМ, качеством сигнала). Таким образом, видно, что сжатие речевых сигналов на основе кодирования их формы обеспечивает в лучшем случае двух - трехкратное уменьшение скорости кода. Дальнейшее снижение скорости ведет к резкому ухудшению качества кодируемого сигнала.

Описанные выше кодеры формы сигнала использовали чисто временной подход к описанию этого сигнала. Однако возможны и другие подходы. Примером может служить так называемое кодирование поддиапазонов (Sub-Band Coding - SBC ), при котором входной сигнал разбивается (или расфильтровывается) на несколько частотных диапазонов (поддиапазонов - sub-bands) и сигнал в каждом из этих поддиапазонов кодируется по отдельности, например, с использованием техники АДИКМ .

Поскольку каждый из частотных поддиапазонов имеет более узкую полосу (все поддиапазоны в сумме дают полосу исходного сигнала), то и частота дискретизации в каждом поддиапазоне также будет меньше. В результате суммарная скорость всех кодов будет по крайней мере не больше, чем скорость кода для исходного сигнала. Однако у такой техники есть определенные преимущества. Дело в том, что субъективная чувствительность слуха к сигналам и их искажениям различна на разных частотах. Она максимальна на частотах 1 - 1,5 кГц и уменьшается на более низких и более высоких частотах. Таким образом, если в диапазоне более высокой чувствительности слуха квантовать сигнал более точно, а в диапазонах низкой чувствительности более грубо, то можно получить выигрыш в результирующей скорости кода. Действительно, при использовании технологии кодирования поддиапазонов получено хорошее качество кодируемой речи при скорости кода 16 – 32 кбит/с. Кодер получается несколько более сложным, чем при простой АДИКМ, однако гораздо проще, нежели для других эффективных способов сжатия речи.

Упрощенная схема подобного кодера (с разбиением на 2 поддиапазона) приведена на рис. 8.18.

Близким к кодированию поддиапазонов является метод сжатия, основанный на применении к сигналу линейных преобразований, к примеру, дискретного косинусного или синусного преобразования. Для кодирования речи используется так называемая технология ATC (Adaptive Transform Coding), при которой сигнал разбивается на блоки, к каждому блоку применяется дискретное косинусное преобразование и полученные коэффициенты адаптивно, в соответствии с характером спектра сигнала, квантуются.

Чем более значимыми являются коэффициенты преобразования, тем большим числом бит они кодируются. Техника очень похожа на JPEG , но применяется к речевым сигналам. Достигаемые при таком кодировании скорости кодов составляют 12 – 16 кбит/с при вполне удовлетворительном качестве сигнала. Широкого распространения для сжатия речи этот метод не получил, поскольку известны гораздо более эффективные и простые в исполнении методы кодирования.

Рис. 8.18. Схема, поясняющая кодирование поддиапазонов

Следующим большим классом кодеров речевых сигналов являются кодеры источника.

Кодирование источника

В отличие от кодеров формы сигнала , вообще не использующих информацию о том, как был сформирован кодируемый сигнал, кодеры источника основываются именно на модели источника и из кодируемого сигнала извлекают информацию о параметрах этой модели. При этом результатом кодирования являются не коды сигналов, а коды параметров источника этих сигналов. Кодеры источника для кодирования речи называются вокодерами (VOice CODERS) и работают примерно следующим образом. Голосообразующий тракт представляется как линейный фильтр с переменными во времени параметрами, возбуждаемый либо источником белого шума (при формировании согласных звуков), либо последовательностями импульсов с периодом основного тона (при формировании гласных звуков) – рис. 8.19 .

Линейная модель системы речеобразования и ее параметры могут быть найдены различными способами. И от того, каким способом они определяются, зависит тип вокодера.

Информация, которую получает вокодер в результате анализа речевого сигнала и передает декодеру, это параметры речеобразующего фильтра, указатель гласный/негласный звук, мощность сигнала возбуждения и период основного тона для гласных звуков . Эти параметры должны обновляться каждые 10 – 20 мс, чтобы отслеживать нестационарность речевого сигнала.

Вокодер, в отличие от кодера формы сигнала, пытается сформировать сигнал, звучащий как оригинальная речь, и не обращает внимания на отличие формы этого сигнала от исходного. При этом результирующая скорость кода на его выходе обычно составляет не более 2,4 кбит/с, то есть в пятнадцать раз меньше, чем при АДИКМ ! К сожалению, качество речи, обеспечиваемой вокодерами, очень далеко от идеального, ее звучание хотя и достаточно разборчиво, но абсолютно ненатурально. При этом даже существенное увеличение скорости кода практически не улучшает качества речи, поскольку для кодирования была выбрана слишком простая модель системы речеобразования. Особенно грубым является предположение о том, что речь состоит лишь из гласных и согласных звуков, не допускающее каких либо промежуточных состояний.

Основное применение вокодеры нашли в военной области, где главное – это не натуральность речи, а большая степень ее сжатия и очень низкая скорость кода, позволяющая эффективно защищать от перехвата и засекречивать передаваемую речь. Кратко рассмотрим основные из известных типов вокодеров.

Канальные вокодеры. Это наиболее древний тип вокодера, предложенный еще в 1939 году. Этот вокодер использует слабую чувствительность слуха человека к незначительным фазовым (временным) сдвигам сигнала.

Для сегментов речи длиной примерно в 20 - 30 мс с помощью набора узкополосных фильтров определяется амплитудный спектр. Чем больше фильтров, тем лучше оценивается спектр, но тем больше нужно бит для его кодирования и тем больше результирующая скорость кода. Сигналы с выходов фильтров детектируются, пропускаются через ФНЧ, дискретизуются и подвергаются двоичному кодированию (рис. 8.20).

Таким образом, определяются медленно изменяющиеся параметры голосообразующего тракта и, кроме того, с помощью детекторов основного тона и гласных звуков, – период основного тона возбуждения и признак - гласный/негласный звук.

Канальный вокодер может быть реализован как в цифровой, так и в аналоговой форме и обеспечивает достаточно разборчивую речь при скорости кода на его выходе порядка 2,4 кбит/с.

Рис. 8.20. Схема начального вокодера

Декодер (рис. 8.21), получив информацию, вырабатываемую кодером, обрабатывает ее в обратном порядке, синтезируя на своем выходе речевой сигнал, в какой-то мере похожий на исходный.

Учитывая простоту модели, трудно ожидать от вокодерного сжатия хорошего качества восстановленной речи. Действительно, канальные вокодеры используются в основном только там, где главным образом необходимы разборчивость и высокая степень сжатия: в военной связи, авиации, космической связи и т.д.

Гомоморфный вокодер. Гомоморфная обработка сигналов представляет собой один из нелинейных методов обработки, который может эффективно применяться к сложным сигналам, например к речевым.

С учетом используемой в вокодерах модели системы голособразования речевой сигнал можно представить как временную свертку импульсной переходной характеристики голосового тракта с сигналом возбуждения. В частотной области это соответствует произведению частотной характеристики голосового тракта и спектра сигнала возбуждения. Наконец, если взять логарифм от этого произведения, то получим сумму логарифмов спектра сигнала возбуждения и частотной характеристики голосового тракта. Поскольку человеческое ухо практически не чувствительно к фазе сигнала, можно оперировать с амплитудными спектрами:

log(|S(e jw)|) = log(|P(e jw)|) + log(|V(e jw)|, (8.12)

где S(e jw) - спектр речи, P(ejw) спектр сигнала возбуждения и V(ejw) - частотная характеристика голосового тракта.

Если теперь выполнить над log(|S(e jw)|) обратное преобразование Фурье (ОПФ ), то получим так называемый кепстр сигнала. Параметры голосового тракта изменяются во времени сравнительно медленно (их спектр находится в области низких частот - НЧ), тогда как сигнал возбуждения – быстроосциллирующая функция (ее спектр сосредоточен в области высоких частот - ВЧ). Поэтому в кепстре речевого сигнала эти составляющие разделяются (рис. 8.22) и могут быть закодированы по отдельности.

Рис. 8.22. Представление речевого сигнала в виде НЧ и ВЧ составляющих

Схема гомоморфного кодера/декодера речи приведена на рис. 8.23, с его использованием можно получить скорость кода порядка 4 кбит/с.

Формантные вокодеры. Как уже отмечалось ранее, основная информация о речевом сигнале содержится в положении и ширине составляющих его формант. Если с высокой точностью определять и кодировать параметры этих формант, можно получить очень низкую результирующую скорость кода – менее 1 кбит/с. К сожалению, сделать это очень трудно, поэтому формантные кодеры речи пока не нашли широкого распространения.

Вокодеры с линейным предсказанием. Вокодеры на основе линейного предсказания используют такую же модель речеобразования, что и остальные из рассмотренных. Что их отличает – это метод определения параметров тракта. Линейные предсказывающие кодеры, или ЛПК, полагают голосовой тракт линейным фильтром с непрерывной импульсной переходной характеристикой, в котором каждое очередное значение сигнала может быть получено как линейная комбинация некоторого числа его предыдущих значений.

Рис. 8.23. Схема гомоморфного кодера/декодера

В ЛПК-вокодере речевой сигнал делится на блоки длиной около 20 мс, для каждого из которых определяются коэффициенты предсказывающего фильтра. Эти коэффициенты квантуются и передаются декодеру. Затем речевой сигнал пропускается через фильтр, частотная характеристика которого обратна частотной характеристике голосового тракта. На выходе фильтра получается ошибка предсказания. Назначение предсказателя – устранить корреляцию между соседними отсчетами сигнала. В результате гораздо отчетливее проявляется долговременная корреляция в сигнале, что позволяет точнее определить частоту основного тона и выделить признак гласный/согласный звук.

Вокодеры на основе линейного предсказания сейчас наиболее популярны, поскольку все используемые ими фильтровые модели речевого тракта работают очень хорошо. Получаемые с их помощью скорости кодов при неплохом качестве речи составляют до 2,4 кбит/с.

Преобразование сигналов

Погрешности и шумы квантования.

Квантование по уровню, равномерное и неравномерное квантование.

Преобразование сигналов.

Канал есть совокупность технических средств между источником сообщений и потребителœем. Технические устройства, входящие в состав канала, предназначены для того, чтобы сообщения дошли до потребителя наилучшим образом – для этого сигналы преобразуют. Такими полезными преобразованиями сигнала являются модуляция, рассмотренная ранее и преобразование непрерывных сигналов в дискретные. Соответственно, каналы классифицируют по состояниям – непрерывные и дискретные .

Сигналы, несущие информацию о состоянии какого-либо объекта или процесса, по своей природе непрерывны, как непрерывны сами процессы. По этой причине такие сигналы называют аналоговыми, т.к. они являются аналогом отображаемого ими процесса или состояний объекта. Число значений, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ может принимать аналоговый сигнал, бесконечно. Соответственно, каналы, по которым передаются эти сигналы, также являются аналоговыми.

В АТС задача часто сводится к тому, чтобы различить конечное число состояний объекта͵ к примеру, занята рельсовая цепь или свободна. Для передачи этого числа состояний достаточно сравнить принимаемый сигнал с некоторым опорным сигналом. В случае если он больше опорного, объект находится в одном состоянии, меньше – в другом. Чем больше число состояний объекта͵ тем больше должно быть опорных уровней.

С другой стороны, информацию о состоянии объекта потребителю достаточно получать не непрерывно во времени, а периодически, и, если период опроса увязать со скоростью изменения состояний объекта͵ то потребитель не будет иметь потерь информации.

В результате преобразований непрерывного сигнала, называемых квантованием и дискретизацией получают отсчеты сигнала, рассматриваемые как числа в той или иной системе счисления. Эти отсчеты являются дискретными сигналами . Эти числа преобразуют в кодовые комбинации электрических сигналов, которые и передают по линии связи как непрерывные. При использовании в качестве носителя постоянного состояния получают последовательность видеоимпульсов. При крайне важности этой последовательностью модулируют гармоническое колебание и получают последовательность радиоимпульсов.

Под кодированием понимают преобразование дискретных сигналов в последовательность или комбинацию некоторых символов. Символ кода - ϶ᴛᴏ элементарный сигнал , отличающийся от другого символа кодовым признаком . Число значений кодовых признаков принято называть основанием кода – m . Число символов в кодовой комбинации п определяет длину кода. В случае если длина кода для всœех комбинаций постоянна, код принято называть равномерным. Чаще всœего используются равномерные двоичные (m =2) коды. Максимальное число кодовых комбинаций при равномерном кодировании: N = m n .

Представление непрерывных сигналов отсчетами, а отсчетов – совокупностью символов принято называть цифровыми видами модуляции . Из них наиболее распространенными являются импульсно-кодовая модуляция (ИКМ) и дельта-модуляция (ДМ).

Рассмотрим ИКМ. Пусть нам нужно передать непрерывный сигнал с диапазоном изменения от нуля до 15 вольт. Считаем, что нам достаточно передать 16 уровней, ᴛ.ᴇ. N = 16. Отсюда, если m = 2, то n = 4. Кодируем: 0 В – 0000, 1 В – 0001, 2 В – 0010, 3 В – 0011 и т.д. Эти числа в виде импульсов и пауз поступают в линию связи, затем в приемнике декодируются и превращаются, если нужно, снова в непрерывный сигнал. Преобразование непрерывного сигнала в дискретный осуществляется в устройствах, называемых аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), обратные преобразования – в устройствах цифро-аналогового преобразования (ЦАП).

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса - перепадом потенциала определенного направления.

Требования к методам цифрового кодирования

При использовании прямоугольных импульсов для передачи дискретной информации необходимо выбрать такой способ кодирования, который одновременно до­стигал бы нескольких целей:

Имел при одной и той же битовой скорости наименьшую ширину спектра результирующего сигнала;

Обеспечивал синхронизацию между передатчиком и приемником;

Обладал способностью распознавать ошибки;

Обладал низкой стоимостью реализации.

Более узкий спектр сигналов позволяет на одной и той же линии (с одной и той же полосой пропускания) добиваться более высокой скорости передачи данных. Кроме того, часто к спектру сигнала предъявляется требование отсутствия постоянной составляющей, то есть наличия постоянного тока между передатчиком и приемником. В частности, применение различных трансформаторных схем гальванической развязки препятствует прохождению постоянного тока.

Синхронизация передатчика и приемника нужна для того, чтобы приемник точно знал, в какой момент времени необходимо считывать новую информацию с линии связи. Эта проблема в сетях решается сложнее, чем при обмене данными между близко расположенными устройствами, например между блоками внутри компьютера или же между компьютером и принтером. На небольших расстояниях хорошо работает схема, основанная на отдельной тактирующей линии связи (рис), так что информация снимается с линии данных только в момент прихода тактового импульса. В сетях использование этой схемы вызывает трудности из-за неоднородности характеристик проводников в кабелях. На больших расстояниях неравномерность скорости распространения сигнала может привести к тому, что тактовый импульс придет настолько позже или раньше соответствующего сигнала данных, что бит данных будет пропущен или считан повторно. Другой причиной, по которой в сетях отказываются от использования тактирующих импульсов, является экономия проводников в дорогостоящих кабелях.

Поэтому в сетях применяются так называемые самосинхронизирующиеся коды, сигналы которых несут для передатчика указания о том, в какой момент времени нужно осуществлять распознавание очередного бита (или нескольких бит, если код ориентирован более чем на два состояния сигнала). Любой резкий перепад сигнала - так называемый фронт - может служить хорошим указанием для синхронизации приемника с передатчиком.

При использовании синусоид в качестве несущего сигнала результирующий код обладает свойством самосинхронизации, так как изменение амплитуды несущей частоты дает возможность приемнику определить момент появления входного кода.

Распознавание и коррекцию искаженных данных сложно осуществить средствами физического уровня, поэтому чаще всего эту работу берут на себя протоколы, лежащие выше: канальный, сетевой, транспортный или прикладной. С другой стороны, распознавание ошибок на физическом уровне экономит время, так как приемник не ждет полного помещения кадра в буфер, а отбраковывает его сразу при распознавании ошибочных бит внутри кадра.

Требования, предъявляемые к методам кодирования, являются взаимно проти­воречивыми, поэтому каждый из рассматриваемых ниже популярных методов цифрового кодирования обладает своими преимуществами и своими недостатками по сравнению с другими.

Потенциальный код без возвращения к нулю

На рис. 2.16, а показан уже упомянутый ранее метод потенциального кодирования, называемый также кодированием без возвращения к нулю (NonReturntoZero,NRZ). Последнее название отражает то обстоятельство, что при передаче последователь­ности единиц сигнал не возвращается к нулю в течение такта (как мы увидим ниже, в других методах кодирования возврат к нулю в этом случае происходит). МетодNRZпрост в реализации, обладает хорошей распознаваемостью ошибок (из-за двух резко отличающихся потенциалов), но не обладает свойством самосинхро­низации. При передаче длинной последовательности единиц или нулей сигнал на линии не изменяется, поэтому приемник лишен возможности определять по вход­ному сигналу моменты времени, когда нужно в очередной раз считывать данные. Даже при наличии высокоточного тактового генератора приемник может ошибиться с моментом съема данных, так как частоты двух генераторов никогда не бывают полностью идентичными. Поэтому при высоких скоростях обмена данными и длин­ных последовательностях единиц или нулей небольшое рассогласование тактовых частот может привести к ошибке в целый такт и, соответственно, считыванию не­корректного значения бита.

Другим серьезным недостатком метода NRZявляется наличие низкочастотной составляющей, которая приближается к нулю при передаче длинных последовательностей единиц или нулей. Из-за этого многие каналы связи, не обеспечивающие прямого гальванического соединения между приемником и источником, этот вид кодирования не поддерживают. В результате в чистом виде кодNRZв сетях не используется. Тем не менее используются его различные модификации, в которых устраняют как плохую самосинхронизацию кодаNRZ, так и наличие постоянной составляющей. Привлекательность кодаNRZ, из-за которой имеет смысл заняться его улучшением, состоит в достаточно низкой частоте основной гармоникиfo, которая равнаN/2 Гц, как это было показано в предыдущем разделе. У других мето­дов кодирования, например манчестерского, основная гармоника имеет более высокую частоту.

Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией

Одной из модификаций метода NRZявляется метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией (BipolarAlternateMarkInversion,AMI). В этом методе (рис. 2.16, б) используются три уровня потенциала - отрицательный, нулевой и положительный. Для кодирования логического нуля используется нулевой потен­циал, а логическая единица кодируется либо положительным потенциалом, либо отрицательным, при этом потенциал каждой новой единицы противоположен потенциалу предыдущей.

Код AMIчастично ликвидирует проблемы постоянной составляющей и отсут­ствия самосинхронизации, присущие кодуNRZ. Это происходит при передаче длинных последовательностей единиц. В этих случаях сигнал на линии представляет собой последовательность разнополярных импульсов с тем же спектром, что и у кодаNRZ, передающего чередующиеся нули и единицы, то есть без постоянной составляющей и с основной гармоникойN/2 Гц (где N - битовая скорость переда­чи данных). Длинные же последовательности нулей также опасны для кодаAMI, как и для кодаNRZ- сигнал вырождается в постоянный потенциал нулевой амплитуды. Поэтому кодAMIтребует дальнейшего улучшения, хотя задача упрощается - осталось справиться только с последовательностями нулей.

В целом, для различных комбинаций бит на линии использование кода AMIприводит к более узкому спектру сигнала, чем для кодаNRZ, а значит, и к более высокой пропускной способности линии. Например, при передаче чередующихся единиц и нулей основная гармоникаfoимеет частотуN/4 Гц. КодAMIпредоставляет также некоторые возможности по распознаванию ошибочных сигналов. Так, нарушение строгого чередования полярности сигналов говорит о ложном импульсе или исчезновении с линии корректного импульса. Сигнал с некорректной полярностью называется запрещенным сигналом (signalviolation).

В коде AMIиспользуются не два, а три уровня сигнала на линии. Дополнительный уровень требует увеличение мощности передатчика примерно на 3 дБ для обеспечения той же достоверности приема бит на линии, что является общим недостатком кодов с несколькими состояниями сигнала по сравнению с кодами, которые различают только два состояния.

Потенциальный код с инверсией при единице

Существует код, похожий на AMI, но только с двумя уровнями сигнала. При пере­даче нуля он передает потенциал, который был установлен в предыдущем такте (то есть не меняет его), а при передаче единицы потенциал инвертируется на противоположный. Этот код называется потенциальным кодом с инверсией при единице

(NonReturntoZerowithonesInverted,NRZI). Этот код удобен в тех случаях, когда использование третьего уровня сигнала весьма нежелательно, например в оптичес­ких кабелях, где устойчиво распознаются два состояния сигнала - свет и темнота. Для улучшения потенциальных кодов, подобныхAMIиNRZI, используются два метода. Первый метод основан на добавлении в исходный код избыточных бит, содержащих логические единицы. Очевидно, что в этом случае длинные последовательности нулей прерываются и код становится самосинхронизирующимся для любых передаваемых данных. Исчезает также постоянная составляющая, а значит, еще более сужается спектр сигнала. Но этот метод снижает полезную пропускную способность линии, так как избыточные единицы пользовательской информации не несут. Другой метод основан на предварительном «перемешивании» исходной информации таким образом, чтобы вероятность появления единиц и нулей на ли­нии становилась близкой. Устройства, или блоки, выполняющие такую операцию, называются скрэмблерами (scramble- свалка, беспорядочная сборка). При скремблировании используется известный алгоритм, поэтому приемник, получив двоич­ные данные, передает их на дескрэмблер, который восстанавливает исходную последовательность бит. Избыточные биты при этом по линии не передаются. Оба метода относятся к логическому, а не физическому кодированию, так как форму сигналов на линии они не определяют. Более детально они изучаются в следующем разделе.

Биполярный импульсный код

Кроме потенциальных кодов в сетях используются и импульсные коды, когда дан­ные представлены полным импульсом или же его частью - фронтом. Наиболее простым случаем такого подхода является биполярный импульсный код, в котором единица представлена импульсом одной полярности, а ноль - другой (рис. 2.16, в). Каждый импульс длится половину такта. Такой код обладает отличными самосинхронизирующими свойствами, но постоянная составляющая может присутство­вать, например, при передаче длинной последовательности единиц или нулей. Кроме того, спектр у него шире, чем у потенциальных кодов. Так, при передаче всех нулей или единиц частота основной гармоники кода будет равна N Гц, что в два раза выше основной гармоники кода NRZи в четыре раза выше основной гармоники кодаAMIпри передаче чередующихся единиц и нулей. Из-за слишком широкого спектра биполярный импульсный код используется редко.

Манчестерский код

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом коди­рования был так называемый манчестерский код (рис. 2.16, г). Он применяется в технологиях EthernetиTokenRing.

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль - обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколь­ко единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, т.о. манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодовAMIилиNRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском - два.

Потенциальный код 2В1 Q

На рис. 2.16, д показан потенциальный код с четырьмя уровнями сигнала для кодирования данных. Это код 2В1Q, название которого отражает его суть - каждые два бита (2В) передаются за один такт сигналом, имеющим четыре состояния (1Q). Паре бит 00 соответствует потенциал -2,5 В, паре бит 01 соответствует потенциал -0,833 В, паре 11 - потенциал +0,833 В, а паре 10 - потенциал +2,5 В. При этом способе кодирования требуются дополнительные меры по борьбе с длинными по­следовательностями одинаковых пар бит, так как при этом сигнал превращается в постоянную составляющую. При случайном чередовании бит спектр сигнала в два раза уже, чем у кодаNRZ, так как при той же битовой скорости длительность такта увеличивается в два раза. Таким образом, с помощью кода 2В1Qможно по одной и той же линии передавать данные в два раза быстрее, чем с помощью кодаAMIилиNRZI. Однако для его реализации мощность передатчика должна быть выше, что­бы четыре уровня четко различались приемником на фоне помех.

В широком смысле под кодированием сигнала понимают процесс преобразования сообщения в сигнал. Как правило, сообщение от источника информации выдается в аналоговой форме, т.е. в виде непрерывного сообщения. Однако как при приеме-передаче информации, так и при ее обработке и хранении значительное преимущество дает дискретная форма представления сигнала. Поэтому в тех случаях, когда исходные сигналы в информационных системах являются непрерывными, необходимо предварительно преобразовать их в дискретные. В связи с этим термин «кодирование» относят обычно к дискретным сигналам и под кодированием в узком смысле понимают представление дискретных сообщений сигналами в виде определенных сочетаний символов. Совокупность правил, в соответствии с которыми производятся эти операции, называется кодом .

Процесс кодирования заключается в представлении сообщений условными комбинациями, составленными из небольшого количества элементарных сигналов (например, посылка и пауза в коде Бодо, «точка» и «тире» в коде Морзе).

В зависимости от целей кодирования различают следующие его виды:

• кодирование по образцу - используется всякий раз при вводе информации в компьютер для ее внутреннего представления;
• криптографическое кодирование (шифрование) - используется при необходимости защиты информации от несанкционированного доступа;
• эффективное (оптимальное) кодирование - используется для устранения избыточности информации, т.е. для снижения ее объема (например, в архиваторах);
• помехозащитное (помехоустойчивое) кодирование - используется для обеспечения заданной достоверности в случае, когда на сигнал накладывается помеха (например, при передаче информации по каналам связи).

Процесс кодирования информации обеспечивает достижение нескольких целей. Во-первых, сообщения представляют в системе символов, обеспечивающей простоту аппаратной реализации информационных устройств. Задача кодирования сообщений для этого случая представляется как преобразование исходного сообщения в используемую (как правило, двоичную) систему счисления. Число используемых при этом различных элементарных сигналов называется основанием кода, а число элементов, образующих кодовую комбинацию, - значностью кода. Если все комбинации кода имеют одинаковую значность, то такой код называется равномерным, в противном случае - неравномерным. Операция кодирования применяется для цифровых сигналов. Для непрерывных сигналов требуется предварительное преобразование аналогового сигнала в цифровой.

Во-вторых, кодирование используется для наилучшего согласования свойств источника сообщений со свойствами канала связи - оптимальное статистическое кодирование. Под ним понимают коды, которые обеспечивают минимизацию среднего количества кодовых символов на один элемент сообщения.

В-третьих, кодирование позволит уменьшить влияние помех на процесс приема-передачи (помехоустойчивое кодирование).

В-четвертых, кодирование обеспечивает защиту информации от несанкционированного доступа.

Коды как средство тайнописи появились еще в глубокой древности. Например, древнегреческий историк Геродот в V в. до н.э. приводил примеры писем, понятных только адресату. Секретная азбука использовалась и Юлием Цезарем. Над созданием шифров работали такие известные ученые Средневековья, как Ф. Бэкон, Д. Кардано и др.

При кодировании в двоичной системе счисления используют два элементарных сигнала, которые технически легко сформировать. Например, одним элементарным сигналом может быть посылка напряжения или тока, вдвое превышающая помеху, а другим - отсутствие посылки. На рисунке 2.1 показаны преобразования исходного аналогового сигнала: сначала в цифровой, а затем в двоичный код с числом двоичных символов п = 2 (двоичное кодирование).

Рис. 2.1. Двоичное кодирование: а - исходный аналоговый сигнал; б - дискретный по времени и квантованный по уровню цифровой сигнал; в - двоичный код отсчетов с числом двоичных символов п = 2